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使用同时采样ADC进行高性能多通道输电线监测

作者:时间:2013-08-18来源:网络收藏

引言

  电力产业的快速发展推动全世界加强现有电力网的传输和配电并且建设新的变电站。微处理器技术的进步和技术支持人员成本的增加是电力公司使用高精度集成自动化系统设计新的自动高压变电站的主要推动力。

  按照电压高低,变电站可以分为两类:高压变电站包括500 kV,330kV和一些220 kV变电站;而220 kV终端变电站、110 kV和35 kV变电站则归为中、低压变电站。高压(传输)变电站是大型户外站。低压(配电)变电站则为城区室内系统,用来控制城区高负载密度。日益增强的信号处理技术使得下一代系统的准确度可优于0.1%,而目前系统的准确度典型值为0.5 % —— 准确度的提升主要由于采用同时采样;它们提供了满足未来系统要求的分辨率和性能。

  系统体系结构

  图1示出了一个典型三相测量系统中的波形。每一相功率由一个电流 互感器(CT)和一个电压互感器(PT)来表示。完整的系统由三相组 成。系统任意时刻平均功率,可以通过对每一互感器器输出做快速 大量采样,对采样数据做离散傅立叶变换(DFT)并且完成必要的乘 法和求和运算。

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  对三个CT和三个PT输出做32组同时采样,并将结果保存在 RAM中。然后系统对6路输出做DFT运算,并且用实部和虚部形式 (A+jB) 表示结果。每一个互感器的幅度和相位信息可按下式计算:

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  上述方法使用DFT和计算公式可确定单一频率的系统功率。如果使用 快速傅立叶变换(FFT)代替DFT,可以提供高次谐波和其它高频分量; 这可以计算系统的其它信息,例如系统损耗或无用噪声的作用。

  系统要求

  变电站可能包含几百个互感器。将待测的电压和电流值调节到±5 V 或±10 V互感器的满度输出范围表示比输电线的满度输出功率能力 大得多。一般,待测的输电线值(特别是电流)小于互感器满度范围 的5%,互感器输出典型值在±20 mV范围内,超出这个范围的信号很 少出现;当出现大信号时一般认为系统故障。

  准确测量这些小信号需要具有高信噪比(S/N)的高分辨率。采 用的ADC还必须具备同时采样能力。例如,目前可提供的系统 具有14 bit分辨率能力——AD78651 4通道、14 bit ADC可以接受真正 的双极性输入信号,并且提供80 dB SNR。然而,现在对于10 kSPS采 样速率16 bit分辨率的ADC的需求越来越强烈。为了完 成三相电流和电压的准确测量,ADC应该具有同时采样6个通道的 能力,并且必须具有优良的SNR测量小信号。当一个系统中使用很多 ADC时,功耗问题也很重要。

  满足以上全部要求的一个例子是AD7656,2它包含6个低功耗、16 bit、250 kSPS逐次逼近(SAR)型ADC。如图2所示,AD7656采用 iCMOS?工业CMOS工艺3,它将制造高压器件的工艺与亚微CMOS工 艺和互补双极型工艺相结合。iCMOS工艺能够制造出高电压工作能 力的模拟IC。与采用传统的CMOS工艺制造的模拟IC不同, iCMOS器件能够接受双极性输入信号,从而提高了性能,并且大幅度 缩减了功耗和封装尺寸。

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  图2. AD7656包含6个同时采样ADC、一个参考电压源、 三个参考缓冲器和一个振荡器。

  如图3所示, AD7656具有86.6 dB的高 SNR可以提供满足测量互感器 输出的交流小信号所需的性能指标。其250 kSPS更新速率有助于简化 快速数据采集所要求的系统设计以实现实时FFT后处理。AD7656可 以直接接受来自互感器的±5 V和±10 V输出,无需增益或电平变 换——而且每个器件的最大功耗仅为150 mW。当一块电路板上有许 ADC时,功耗是一项重要考虑。因为有一些系统需要一块电路 板上有多达128个ADC通道(即22片6通道ADC),所以功耗成为一项 关键指标。

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  图3. 在应用中峰峰噪声是一项关键指标。


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关键词: ADC 高性能 多通道 输电线监测

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